Bí quyết làm đẹp năm mới

QUAN SÁT CỦA CHÚNG TÔI

Bí quyết làm đẹp năm mới

S.SALIKHOV, D.LIVANOV

HÃY TIẾN HÀNH MỘT THÍ NGHIỆM NHỎ. Lấy một cốc nước sôi và bắt đầu đổ đường vào đó, dùng thìa khuấy đều. Chúng ta sẽ thấy gì? Chắc chắn chúng ta sẽ không thấy đường; nó đã hòa tan trong nước. Nhưng nếu bạn nếm nước, nó sẽ ngọt ngào. Như vậy đường vẫn có mặt trong nước - dưới dạng các hạt, phân tử cực nhỏ. Nếu bạn tiếp tục thêm đường, điều mà những người hảo ngọt thích làm, thì đến một lúc nào đó nó sẽ ngừng tan. Dù có khuấy thế nào chúng ta cũng không thể hòa tan được đường. Và một lưu ý quan trọng nữa - lượng đường hòa tan trong nước lạnh sẽ ít hơn. Trong một lít nước ở nhiệt độ phòng (20 độ C), bạn có thể hòa tan hai kg đường và trong nước nóng (80 độ) - đã là ba kg rưỡi. Tại sao điều này lại xảy ra? Nhiệt độ càng cao thì thể tích chất lỏng càng lớn, tức là khoảng cách trung bình giữa các phân tử nước càng lớn. Điều này có nghĩa là có nhiều phân tử đường nằm giữa chúng hơn. Điều thú vị là giải pháp có thể được tìm thấy… trên đám mây. Xét cho cùng, dung dịch có thể ở dạng lỏng hoặc khí (trong trường hợp này chúng được gọi là hỗn hợp) và thậm chí là rắn. Điều sau đây xảy ra với đám mây. Khi nước bay hơi dưới tác động của ánh sáng mặt trời, các phân tử hơi nước sẽ bay vào không khí. Nhiệt độ không khí càng cao thì không khí có thể chứa càng nhiều hơi nước. Giống như đường trong trà, lượng hơi nước khác nhau cũng có thể hòa tan trong không khí ở nhiệt độ khác nhau. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu trà nguội đi và không khí nguội đi? Nếu bạn nhìn kỹ vào phần trà đã nguội thì ở phía dưới

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20221105

Một tinh thể đường dưới kính hiển vi thủy tinh có thể tiết lộ một ít đường. Anh ấy đến từ đâu? Hóa ra là trong quá trình làm mát, lượng đường “dư thừa” đã rơi ra khỏi dung dịch và chúng tôi đã thành công trong việc làm được điều mà các viện hàn lâm đang chăm chỉ làm - phát triển tinh thể. Đúng là những tinh thể này trông không ấn tượng lắm. Nhưng nếu bạn cố gắng, bạn vẫn có thể đạt được một số thành công trong việc phát triển tinh thể. Điều tương tự cũng xảy ra với nước trong không khí. Không khí được làm mát không thể chứa nhiều hơi nước như không khí nóng. Và các phân tử nước trong không khí khắc nghiệt như vậy không còn cách nào khác ngoài việc kết hợp lại thành những giọt nhỏ. Điều này xảy ra cả khi đám mây nguội đi, khi không khí nóng kèm theo hơi nước rời khỏi vòi ấm và vào sáng sớm khi sương rơi. Những giọt sương đọng trên cỏ lạnh hay trên lan can cầu thang chẳng qua là kết quả của sự thiếu hiếu khách. Trong trường hợp này, họ nói rằng không khí đã quá bão hòa với hơi nước. (Nhân tiện, điều tương tự cũng xảy ra với dung dịch đường và các dung dịch khác.) Ví dụ, ở 10 độ C, một mét khối không khí có thể chứa 9,5 gam nước và ở 20 độ – gần 17 gam. Nhân tiện, không khí hoàn toàn sạch có thể bị bão hòa hơi nước khá nhiều. Tuy nhiên, bầu khí quyển luôn chứa một số lượng lớn các hạt bụi, tinh thể muối và các chất khác khác nhau đóng vai trò là trung tâm ngưng tụ cho các giọt nước.

50

KVA NT 2022/Số. 12-11

Nếu nhiệt độ không khí xuống dưới 0 độ, điểm đóng băng của nước thì các phân tử nước trong đám mây sẽ ngay lập tức hình thành những tinh thể băng cực nhỏ. Kích thước của những tinh thể này không quá một phần mười milimét. Đúng vậy, để làm được điều này, bạn lại cần một người trợ giúp - một hạt bụi nhỏ sẽ đóng vai trò là hạt giống. Tinh thể băng đầu tiên hình thành trên một hạt bụi nhỏ. Vâng, vâng, những bông tuyết bắt đầu như bụi. Đầu tiên, nước bốc hơi khỏi bề mặt của bất kỳ vùng nước nào. Sau đó, hơi nước bay lên không khí, ngưng tụ trên các hạt bụi đã có trong đám mây và di chuyển xuống đám mây theo những dòng không khí có hành vi khá kỳ lạ. Và kết quả cuối cùng là những ngôi sao huyền ảo quyến rũ với vẻ đẹp của chúng. Sau đó, viên pha lê bắt đầu hành trình xuyên qua đám mây và biến thành bông tuyết. Nếu nhiệt độ trong đám mây hoặc bất kỳ phần nào của nó cao hơn 0 độ thì tinh thể của chúng ta cuối cùng sẽ tan chảy và sau đó sẽ di chuyển với một khả năng khác - giống như một giọt nước. Một bông tuyết sẽ chỉ có thể thoát ra khỏi đám mây vào mùa đông, khi nhiệt độ môi trường giảm xuống dưới 0. Chỉ khi đó một bông tuyết mới có thể rơi xuống đất, khiến chúng ta thích thú với lớp tuyết trắng tinh khiết cót két. Điều gì xảy ra với một bông tuyết khi nó di chuyển từ đỉnh đám mây xuống mặt đất? Cuộc hành trình bắt đầu khi, trong một đám mây lạnh không thể chứa nhiều hơi nước, những giọt nước cực nhỏ bị thu hút bởi những hạt bụi nhỏ nhất, đóng băng và sau đó tinh thể băng khó phân biệt này phát triển thành một ngôi sao xinh đẹp.

Chỉ trong những cuốn sách về ông già Noel, tất cả những bông tuyết đều là những ngôi sao sáu cánh xinh đẹp. Trên thực tế, những bông tuyết thì khác. Đôi khi đây là những tấm đơn giản, trong một số trường hợp chúng là lăng kính và thậm chí là kim tiêm. Hình dạng của bông tuyết được xác định bởi hai điều kiện chính: nhiệt độ và mức độ bão hòa của không khí với hơi nước. Trong các điều kiện khác nhau, người ta thu được những bông tuyết có hình dạng khác nhau. Những bông tuyết đẹp yêu thích độ ẩm cao và không thích sương giá khắc nghiệt. Người ta nói rằng không có hai bông tuyết nào giống nhau. Nhưng có một cái gì đó vẫn đoàn kết họ. Nhìn kỹ hơn vào các bông tuyết khác nhau, bạn sẽ nhận thấy hình dạng của chúng luôn dựa trên hình lục giác. Và một lần nữa, minh họa tốt nhất là… đường. Nếu đủ kiên nhẫn, bạn có thể trồng những tinh thể đường hoặc muối khá lớn. Tất cả các tinh thể muối đều có hình dạng những viên gạch nhỏ: hình chữ nhật song song. Nếu có thể phát triển một tinh thể muối lớn, thì hình dạng của nó sẽ là hình chữ nhật song song và trong những điều kiện tăng trưởng nhất định - hình khối. Ví dụ, sau khi đập vỡ khối lập phương lớn này bằng một cái búa, có thể dễ dàng đảm bảo rằng tất cả các mảnh vỡ cũng sẽ có dạng hình song song. Nhân loại từ lâu đã quan tâm đến những viên đá khác thường có hình dạng và đường cắt chính xác. Nhân tiện, người Hy Lạp cổ đại coi tinh thể đá (thạch anh) là nước đóng băng vĩnh viễn. Số lượng tinh thể mà con người biết đến không ngừng tăng lên. Nhiều đặc tính ma thuật khác nhau bắt đầu được cho là do pha lê. Người giàu muốn sở hữu những viên pha lê hiếm và khác thường. Vì một số mẫu vật độc đáo, niềm đam mê của Shakespeare bùng lên và thậm chí chiến tranh đã nổ ra. Lý do

Hình dạng khác nhau của bông tuyết: đuôi gai, ngôi sao phẳng, cột

51

Nashi

N ABLUDE N IYA

Điều sai ở đây không chỉ là vẻ đẹp của các tinh thể mà còn ở chỗ các đặc tính của tinh thể quá khó hiểu: cắt chính xác và bảo toàn hình dạng khi bị phá hủy. Điều thú vị là nghiên cứu về bông tuyết vào thế kỷ 17 đã đưa các nhà khoa học đến ý tưởng tuyệt vời rằng các tinh thể bao gồm các hạt nhỏ và giống hệt nhau với hình dạng nhất định. Vì vậy, sẽ không quá lời khi nói rằng những bông tuyết đã đặt nền móng cho sự phát triển của một ngành vật lý lớn - tinh thể học. Cơ sở của tinh thể băng là một hình lục giác đều được hình thành bởi các phân tử nước. Hóa ra trong phân tử nước góc giữa liên kết oxy-hydro là 104 độ, nhưng ở trạng thái rắn, các nguyên tử oxy tạo thành một hình lục giác đều. Chính xác hơn, hai hình tam giác đều, hơi lệch nhau dọc theo một trục đi qua tâm của chúng. Và chính cấu hình hình học này quyết định hình dạng lục giác của bông tuyết. Bạn có thể thử nghiệm

thuốc thạch anh

Kim cương là khoáng chất cứng nhất trên trái đất

Tinh thể Ruby là loại cứng thứ hai sau kim cương. Tate - cắt nhiều hình lục giác từ giấy và dán chúng lại với nhau. Kết quả sẽ luôn là những hình dựa trên hình lục giác hoặc như người ta nói, đối xứng bậc sáu. Đặc điểm là các phân tử nước chỉ có thể kết hợp với tinh thể băng ở một số nơi nhất định, được xác định bởi hình dạng của các liên kết hóa học. Một tình huống tương tự được quan sát thấy trong quá trình phát triển của các tinh thể khác. Ví dụ như đường hoặc muối. Nhưng sau đó, có vẻ như những bông tuyết phải luôn có hình lục giác đều, giống như tinh thể băng. Điều gì khiến bông tuyết “phát triển” tia? Các tinh thể phát triển đồng đều, chỉ tăng các cạnh của chúng trong điều kiện phát triển thuận lợi: khi có đủ chất dinh dưỡng cho bất kỳ vị trí nào trên rìa. Nếu có quá ít thời gian để phát triển và đây chính xác là những gì xảy ra trong môi trường siêu bão hòa, thì nơi chính xảy ra sự phát triển của tinh thể là các phần nhô ra của nó. Tinh thể dường như đang tiếp cận chất dinh dưỡng. Kết quả là, từ đỉnh sáu

Các giai đoạn hình thành bông tuyết

52

KVA NT 2022/Số. 12-11

tinh thể băng than phát triển các tia, tiếp tục phân nhánh khi chúng lớn lên, tạo thành những ngôi sao lục giác độc đáo. Do đó, các điều kiện khác nhau cho sự phát triển của tinh thể cả trong đám mây và trong hành trình của bông tuyết từ đám mây xuống mặt đất (khi một bông tuyết lạnh, bay qua các lớp không khí ấm hơn của khí quyển bão hòa hơi nước, tiếp tục phát triển) tạo thành những hình dạng hoàn toàn khác nhau. Nhưng có một điều sẽ luôn phổ biến ở tất cả các bông tuyết - chúng sẽ có hình ngôi sao sáu cánh hoặc hình lục giác. Nói cách khác, hình dạng được xác định bởi cấu trúc bên trong của tinh thể. Sự biến đổi đáng kinh ngạc xảy ra với những bông tuyết, dù muốn hay không, cũng khiến chúng ta nghĩ về vai trò của các định luật đối xứng - cụ thể là, chúng làm sắc nét một cách tinh vi các tia của bông tuyết - trong tự nhiên. Suy cho cùng, mỗi bông tuyết đều bắt đầu cuộc hành trình của mình với những quá trình dường như không có sự đối xứng hay trật tự nào cả: sự bốc hơi từ một vũng nước, một hạt bụi là một hạt giống, v.v. Nhưng thiên nhiên dường như đang nói với chúng ta về tính ưu việt của tính đối xứng, rằng các quy luật theo đó các nguyên tử xếp thành hàng trong tinh thể bông tuyết sẽ đánh bại mọi cơ hội. Thật không may, không phải ai cũng biết về các quy luật đối xứng và cách cấu trúc của một bông tuyết. Vì vậy, trong sách và tạp chí Tết, trong cách trang trí năm mới ở các thành phố của chúng ta, có rất nhiều bông tuyết có bốn, năm hoặc thậm chí tám tia, nhưng những bông tuyết như vậy không tồn tại trong tự nhiên. Nhưng giờ đây bạn và tôi có thể dễ dàng phân biệt bông tuyết thật với bông tuyết giả.

Hợp nhất những bông tuyết thành những bông tuyết

có hiệu quả! Chúng tôi đã xem xét tính đối xứng của bông tuyết, tính đối xứng của sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể băng, do các yếu tố bên trong gây ra. Nhưng cũng có rất nhiều yếu tố bên ngoài. Nhìn bông tuyết dưới kính lúp hoặc dưới kính hiển vi, bạn có thể thấy góc giữa các tia luôn bằng 60 độ, nhưng các tia của bông tuyết phát triển không đều nhau: một số dài hơn, một số khác ngắn hơn. Bạn thường có thể thấy nhiều bông tuyết hợp nhất thành một, tạo thành những bông tuyết. Trong cả hai trường hợp, hình dạng thực sự của hầu hết các bông tuyết đều khác với hình dạng ngôi sao sáu cánh đều đối xứng lý tưởng. Điều này xảy ra bởi vì các yếu tố bên ngoài luôn mang đến những thay đổi cho bức tranh lý tưởng. Những lý do bên ngoài ngấm ngầm nào đã phá hủy sự đối xứng hấp dẫn này? Tất cả những sai lệch của bông tuyết so với tiêu chuẩn đều liên quan đến quá trình phát triển của chúng. Ví dụ: nếu một bông tuyết rơi tự do, quay đều quanh trục của nó thì hình dạng của nó sẽ gần đúng. Nhưng nếu vì lý do nào đó mà quá trình quay đều không diễn ra và bông tuyết chẳng hạn đã bay gần hết về một phía, thì sự rơi như vậy sẽ được phản ánh dưới dạng không đối xứng của nó. Những cuộc phiêu lưu khác có thể xảy ra với một bông tuyết rơi ngăn cản sự phát triển của một ngôi sao lục giác đều. Ví dụ, một giọt nước nhỏ nhất có thể đóng băng - và bông tuyết sẽ không còn đối xứng nữa. Và điều đó cũng xảy ra khi thời tiết tốt, không có gió, có tới hai trăm bông tuyết dính vào nhau tạo thành những bông tuyết tuyệt đẹp. Hóa ra không chỉ các định luật nguyên tử, theo đó các phân tử nước được sắp xếp trong mạng tinh thể thành các hình lục giác đều, mới đóng vai trò trong việc hình thành hình dạng thực của bông tuyết. Tính đối xứng của môi trường bên ngoài nơi bông tuyết được sinh ra, lớn lên và đi từ đám mây này sang trái đất khác cũng quyết định hình dáng của nó. Bạn chỉ cần học cách “đọc” số phận của bông tuyết qua hình dạng của nó.

Bài viết là một chương trong cuốn sách của D.V. Livanov và S.V. Salikhov “Vật lý của mọi thứ trên thế giới không có công thức”, dự kiến ​​xuất bản bởi nhà xuất bản Bombora.